基于應(yīng)用型人才培養(yǎng)的化工分離工程課程教學(xué)的研究

沈國良 班玉鳳 朱海峰 徐鐵軍 朱 靜 劉紅宇 宋菊玲

(沈陽工業(yè)大學(xué)石油化工學(xué)院，遼寧 遼陽 111003)

化工分離工程是研究化工生產(chǎn)過程中物質(zhì)分離與純化的工程技術(shù)學(xué)科。許多天然存在的物質(zhì)都是以混合物的形式存在、化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物一般都是混合物，要從其中獲得具有使用價(jià)值的一種或幾種產(chǎn)品，必須對(duì)其進(jìn)行分離?；?、煉油、醫(yī)藥、食品、冶金、材料等工業(yè)生產(chǎn)過程中大量采用分離技術(shù)，以獲得符合使用要求的產(chǎn)品。分離過程還是環(huán)境保護(hù)中用于污染物清除、分離以及資源化的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

2015年，化學(xué)工程與工藝專業(yè)被遼寧省教育廳確定為向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變教學(xué)改革試點(diǎn)專業(yè)，作為必要的專業(yè)課程，我們對(duì)化工分離工程課程進(jìn)行了深入研究，面向應(yīng)用型人才培養(yǎng)，對(duì)化工分離工程課程的教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行大幅度改革。

1 化工分離工程課程的地位與作用

分離技術(shù)目前的應(yīng)用已不限于化學(xué)工業(yè)和石油化學(xué)工業(yè)，核工業(yè)用各種分離方法提取、生物化工用分離技術(shù)對(duì)高附加值的產(chǎn)品進(jìn)行分離、微電子工業(yè)中對(duì)空氣進(jìn)行凈化、環(huán)境保護(hù)中對(duì)SOX、NOX的清除等生產(chǎn)過程都離不開分離過程。

化學(xué)工程與工藝專業(yè)開設(shè)化工分離工程課程，就是為了使學(xué)生掌握實(shí)際化工生產(chǎn)過程(多組分的分離)中各種分離過程的基本原理、基本流程、基本操作、基本計(jì)算，掌握分離技術(shù)在化工生產(chǎn)過程中的實(shí)際應(yīng)用，了解新型分離技術(shù)，并為學(xué)習(xí)化工工藝學(xué)、化工工藝設(shè)計(jì)等后續(xù)課程以及畢業(yè)設(shè)計(jì)、解決化工過程的實(shí)際問題打下牢固的基礎(chǔ)[1，2]。

長(zhǎng)期以來，根據(jù)石油、石化、化工等行業(yè)以及整個(gè)社會(huì)對(duì)人才的需求，堅(jiān)持不懈抓化工分離工程課程的建設(shè)，不斷進(jìn)行教學(xué)改革，不斷探索提高課程教學(xué)質(zhì)量的新途徑，在教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段等方面開展了一些工作，取得了較好效果，2006年被評(píng)為遼寧省精品課程。

2 化工分離工程理論的形成與發(fā)展

1901年，戴維斯在多年的化工生產(chǎn)實(shí)踐中，逐步將化工生產(chǎn)過程各步驟加以分類，歸納為若干共性單元操作，在英國出版由他編著的世界上第一本《化學(xué)工程手冊(cè)》。在該書中把化工生產(chǎn)過程歸納為蒸發(fā)、蒸餾、吸收、結(jié)晶、透析等分離過程單元，從而確立了分離單元操作的概念。

1923年，美國麻省理工學(xué)院的劉易斯和麥克亞當(dāng)斯合著的《化工原理》出版，推出了傳質(zhì)與分離單元操作的定量計(jì)算方法，化工分離工程的理論初見端倪。

20世紀(jì)20至30年代，一批分離工程著作先后問世，先后出版了包括魯賓遜的《精餾原理》(1922)與《蒸發(fā)》(1926)、劉易斯的《化工計(jì)算》(1926)、舍伍德的《吸收與萃取》(1937)等著作，使化工分離工程的理論得到完善。

20世紀(jì)前期，在總結(jié)化工生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，形成了化工分離單元操作的概念；20世紀(jì)中期，分離工程理論得以充實(shí)和完備；20世紀(jì)后期，分離技術(shù)不斷深化與拓寬。分離單元操作作為過程工業(yè)中的一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)，在化學(xué)工業(yè)與相關(guān)工業(yè)中起著重要且不可替代的作用。分離技術(shù)的發(fā)展和不斷進(jìn)步正促進(jìn)著化學(xué)工業(yè)與相關(guān)工業(yè)的發(fā)展，提高了相應(yīng)的生產(chǎn)技術(shù)水平。

按物理化學(xué)原理，工業(yè)上常用的化工分離操作可分為平衡分離過程和速率分離過程兩大類：(1)平衡分離過程是借助于熱能、溶劑和吸附劑等媒介，使均相混合物變成兩相，包括氣液傳質(zhì)過程(蒸餾、吸收等)、液液傳質(zhì)過程(萃取等)、氣固傳質(zhì)過程(吸附等)、液固傳質(zhì)過程(離子交換、浸取等)；(2)速率分離過程是在濃度差、壓力差、電位差等推動(dòng)力作用下，利用各組分的擴(kuò)散速率差異進(jìn)行分離，包括膜分離(超濾、反滲透等)、場(chǎng)分離(電泳、熱擴(kuò)散等)。

3 化工分離課程體系與教學(xué)內(nèi)容的改革

3.1 課程教學(xué)體系的改革

化工分離工程課程是化學(xué)工程與工藝專業(yè)的一門專業(yè)課。一個(gè)時(shí)期以來，化工分離工程課程教學(xué)體系僅限于理論教學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助簡(jiǎn)單計(jì)算、實(shí)驗(yàn)教學(xué)，其理論教學(xué)主要講授化工分離過程的基本原理、基本流程、數(shù)學(xué)模型的建立與求解方法，本應(yīng)屬于計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算的內(nèi)容只介紹計(jì)算流程框圖[3]。

按照應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，化工分離工程課程教學(xué)體系著力于知識(shí)應(yīng)用能力的培養(yǎng)，教學(xué)內(nèi)容注重針對(duì)性和實(shí)踐性，注意應(yīng)用性與先進(jìn)性、針對(duì)性與系統(tǒng)性、專業(yè)性與綜合性的關(guān)系。結(jié)合課程特點(diǎn)，新構(gòu)建的化工分離工程課程教學(xué)體系包括理論教學(xué)、計(jì)算機(jī)輔助嚴(yán)格計(jì)算、流程模擬、實(shí)驗(yàn)教學(xué)，強(qiáng)調(diào)了計(jì)算機(jī)在化工分離工程課程教學(xué)中的應(yīng)用，形成了一個(gè)比較完整的理論與實(shí)踐相輔相稱的課程體系，以確?；し蛛x工程課程教學(xué)質(zhì)量。其理論教學(xué)內(nèi)容更加突出工程應(yīng)用，將過去主要講數(shù)學(xué)模型的建立與求解方法的理論課教學(xué)內(nèi)容，增加了設(shè)備及其操作、實(shí)際應(yīng)用內(nèi)容，加強(qiáng)了分析解決工程實(shí)際問題能力的培養(yǎng)；大量復(fù)雜計(jì)算采用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算，在課堂和課后作業(yè)上新引入常用的辦公軟件Excel進(jìn)行輔助計(jì)算，每一部分內(nèi)容都要求學(xué)生自己用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算；課程最后，將所學(xué)過的分離知識(shí)，按照分離設(shè)備工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容，采用過程模擬軟件Chem CAD和Aspen Plus進(jìn)行計(jì)算。

化工分離工程課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手操作的能力和分析問題、解決問題的能力。根據(jù)專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)要求及化工分離工程課程的特點(diǎn)，化工分離工程實(shí)驗(yàn)不單獨(dú)設(shè)課，將化工分離工程課程的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容合并到專業(yè)實(shí)驗(yàn)課中，但要與理論課同步開出?，F(xiàn)已經(jīng)能夠開出工程性實(shí)驗(yàn)2個(gè)、綜合性實(shí)驗(yàn)1個(gè)。

考慮到實(shí)際化工生產(chǎn)過程中高大的分離設(shè)備不能親自動(dòng)手操作，開展了用化工虛擬仿真替代部分化工實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作，使化工分離工程課程涉及的分離過程操作通過仿真得以實(shí)現(xiàn)。

3.2 課程教學(xué)內(nèi)容的改革

在化工分離工程課程教學(xué)過程中，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用型人才的培養(yǎng)，課程教學(xué)內(nèi)容突出做好：注重并貫穿對(duì)學(xué)生知識(shí)應(yīng)用能力的培養(yǎng)，重視分離方法創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)；將過去主要講通過物料衡算建立數(shù)學(xué)模型與求解方法，增加了設(shè)備及其操作內(nèi)容，使課程內(nèi)容更加實(shí)用；教學(xué)內(nèi)容注重針對(duì)性和實(shí)踐性、注意應(yīng)用性與先進(jìn)性；課程教學(xué)還配合實(shí)驗(yàn)教學(xué)、化工仿真教學(xué)等內(nèi)容。

化工平衡分離過程的計(jì)算是以平衡常數(shù)的計(jì)算為基礎(chǔ)的，嚴(yán)格的平衡常數(shù)計(jì)算過程非常復(fù)雜，一般平衡分離過程的嚴(yán)格計(jì)算只能通過編程由計(jì)算機(jī)來完成。編程比較麻煩，學(xué)生自己編程進(jìn)行計(jì)算很難實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)階段學(xué)生主要學(xué)習(xí)C語言，學(xué)生很少用C語言編程進(jìn)行嚴(yán)格的平衡常數(shù)計(jì)算。因此，在以往的化工分離工程課程教學(xué)中，對(duì)平衡分離過程的嚴(yán)格計(jì)算只作簡(jiǎn)單介紹，并不要求進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算，在一定程度上限制了使用性教學(xué)，也影響了知識(shí)應(yīng)用性教學(xué)，不用計(jì)算機(jī)計(jì)算意味著化工分離工程知識(shí)的學(xué)習(xí)沒到家。常用的辦公軟件Excel具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能，但過去一直僅用于簡(jiǎn)單計(jì)算。實(shí)際上，充分利用Excel提供的運(yùn)算功能，只需輸入相應(yīng)的公式，無需編程，就能完成復(fù)雜的化工計(jì)算，計(jì)算過程簡(jiǎn)單、直觀[4，5]，學(xué)生非常容易掌握。由于Excel具有較強(qiáng)的數(shù)組和公式的復(fù)制功能，所以使用Excel計(jì)算混合物性質(zhì)具有無可比擬的優(yōu)越性?；し蛛x工程課程嘗試將Excel用于分離過程的計(jì)算，既可以實(shí)現(xiàn)節(jié)省學(xué)生做練習(xí)的時(shí)間，又可在沒有編程的情況下對(duì)分離過程進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算。

化工流程模擬技術(shù)利用計(jì)算機(jī)高超的計(jì)算能力解算化工過程的數(shù)學(xué)模型和模擬化工過程的性能。20世紀(jì)60年代初，F(xiàn)ORTRAN、ALGOL、COBOL等高級(jí)語言相繼問世，為化工過程模擬的普遍應(yīng)用提供了條件。各有關(guān)大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和煉油、石化公司紛紛開始研制自己的模擬系統(tǒng)，到60年代末，化工流程模擬的概念被普遍接受。從20世紀(jì)70年代起，流程模擬的可靠性不斷提高，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，開始成為化學(xué)工程師的常規(guī)工具。商用模擬系統(tǒng)的規(guī)模日益擴(kuò)大，功能不斷增強(qiáng)。到20世紀(jì)70年代末，流程模擬已得到普遍信任，化工過程模擬得到了工業(yè)界的普遍承認(rèn)。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，化工流程模擬軟件的開發(fā)、研制走向?qū)I(yè)化和商品化，從過去的分散在大學(xué)和各個(gè)煉油、石化公司轉(zhuǎn)向主要由專門的化工軟件公司進(jìn)行。模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性大大加強(qiáng)，應(yīng)用范圍不斷拓寬，功能愈益豐富，使用越來越方便，并且涌現(xiàn)出一批著名的、影響廣泛的商業(yè)化軟件。從20世紀(jì)90年代開始，化工模擬的主要特點(diǎn)是從“離線”走向“在線”，從穩(wěn)態(tài)模擬發(fā)展到動(dòng)態(tài)模擬和實(shí)時(shí)優(yōu)化，從單純的穩(wěn)態(tài)計(jì)算發(fā)展到和工業(yè)裝置緊密相聯(lián)，化工過程模擬獲得了大范圍的推廣應(yīng)用，不僅在設(shè)計(jì)、研究部門是必備的工具，在各煉油、石油化工企業(yè)中也廣為應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力快速提高和軟件技術(shù)開發(fā)的迅猛發(fā)展，流程模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性大大加強(qiáng)，應(yīng)用范圍不斷拓寬，功能也日益豐富，流程模擬計(jì)算軟件的應(yīng)用越來越受到人們的重視。目前，化工流程模擬廣泛使用的主要軟件有Chem CAD和Aspen Plus。Chem CAD是美國Chemstation公司開發(fā)的，用于化工領(lǐng)域中工藝開發(fā)、工程設(shè)計(jì)、優(yōu)化操作和技術(shù)改造，便于學(xué)習(xí)和掌握，一直受到廣大化學(xué)和化工技術(shù)人員青睞。Aspen Plus是美國能源部開發(fā)的化工流程模擬軟件，是一個(gè)生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng)，采用化學(xué)工程師所常用的流程求解技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)化工單元操作及整個(gè)工藝流程的模擬，其功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的一種過程模擬軟件系統(tǒng)。從工程能力上，要求學(xué)生能夠用現(xiàn)代流行的大型工具軟件Chem CAD、Aspen Plus等。為了滿足化工流程模擬軟件應(yīng)用需要，根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)軟件的應(yīng)用實(shí)踐，編寫了《流程模擬軟件ChemCAD在化工中的應(yīng)用》一書，該書的重點(diǎn)是化工工藝計(jì)算、設(shè)計(jì)內(nèi)容，詳細(xì)介紹了化工過程的計(jì)算及具體應(yīng)用，注重實(shí)用性，便于掌握。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論教學(xué)有機(jī)結(jié)合、同步進(jìn)行，增強(qiáng)了學(xué)生工程意識(shí)，顯著地提高了學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和解決問題的能力。實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用緊密相結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，實(shí)踐動(dòng)手能力明顯提高。

4 結(jié) 語

化工分離工程課程按照新構(gòu)建的課程體系組織教學(xué)，將傳統(tǒng)教學(xué)與現(xiàn)代教學(xué)有機(jī)結(jié)合，充分利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，解決化工分離實(shí)際生產(chǎn)過程的多元組分復(fù)雜計(jì)算問題，符合應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)要求，極大地促進(jìn)了學(xué)生分析實(shí)際問題能力的提高。

應(yīng)屆畢業(yè)生以及歷年畢業(yè)生認(rèn)為化工分離工程課程教學(xué)理論聯(lián)系實(shí)際、注重應(yīng)用。他們學(xué)到了化工分離工程的基本知識(shí)、基本應(yīng)用，培養(yǎng)了他們的工程能力。同時(shí)，也學(xué)到了分析問題、解決問題的方法，提高了他們的實(shí)際應(yīng)用能力，為工作打下了很好的基礎(chǔ)。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，分離技術(shù)將得到進(jìn)一步的發(fā)展和提高，給化工分離工程教學(xué)提出了許多新的課題，面臨著巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

[1] 刁顯珍，陳以會(huì)，許靜. 化工分離工程課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J]. 重慶科技學(xué)院學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版),2013，(9)：203～205.

[2] 朱靖，劉永光. 化工分離工程教學(xué)改革與實(shí)踐[J]. 河北理工大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版)，2011，11(3)：100～102.

[3] 李偉，朱家文，徐心茹 等. 現(xiàn)代化工模擬軟件在分離工程課程教學(xué)中的應(yīng)用[J]. 化工高等教育，2007，(2)：66～68.

[4] 班玉鳳，常圣泉，朱海峰 等. EXCEL在非理想系泡露點(diǎn)計(jì)算中的應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2010，27(11)：181～183.

[5] 班玉鳳，朱海峰，朱靜 等. 基于Excel計(jì)算復(fù)雜的流體混合物的化工熱力學(xué)性質(zhì)[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2011，28(10)：275～277.